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载人航天器电池安全性分析

2019-03-07 09:57
可靠性杂坛
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2、方法2:必须采取防止电解液泄漏的措施。1)依据对于可排气(超压缓解)电池,电解液泄漏的原因可以是过量的富余电解液。电解液泄漏的主要原因是可排气电池单体盖下方的电解液收集和隔离结构设计不正确和电池单体容器破裂导致泄漏。电解液泄漏的另一个原因是密封电池的密封不良和电池过热或过充电使密封外壳被电解液压破。2)特殊考虑可排气电池中过量的富余电解液应减少,减少的量应根据试验结果,试验内容为减少多余电解液直至电池容量开始降低。受试电池的寿命和再充电循环次数应与飞行电池接近相等。这种试验主要对二氧化银-锌矩形电池单体进行。电池的制造厂通常使电解液稍微过量一些,因为大多数用户通常要进行若干次再充电。随着再充电循环次数的增加,过量的富余电解液通常会由于水的电解和锌负极板逐渐膨胀造成的吸收而被消耗掉。电池在空间飞行中通常只是进行第一到第五个再充电循环,因而不需要过量的多余电解液。电池单体的盖宜设计为带一个圆柱形“立管”,它装于盖的排气孔处,从盖的下表面向下朝着电池单体极板延伸。当电池在有重力环境中被倒置时,在盖朝下的电池单体外壳中电解液的液面应不高于“立管”的口。上述情况是最坏情况,所有其它电池位置(包括零重力环境下)都更好。有富余电解液的电池单体,其排气道中必须装减压阀,而不能只有一个排气孔和(或)吸收材料。减压阀的开启压力为3~15磅/平方英寸(压差),具体数值应为电池单体抗内压而不破裂的强度的函数。有些钢外壳的镍镉电池单体被视为密封的,因为它们所用的减压阀被设置于100~200磅/平方英寸(压差)才开启。这里所说的电池单体还不是那种可能也会用到的气密的空间用镍镉电池单体。假如在电池单体的设计阶段认为可行,还可在排气口的电池单体盖的下表面处加多孔的聚四氟乙烯塞或膜。由于这种材料具有多孔性和不浸湿性,在不被电解液淹没时将允许气体逸出而防止电解液逸出。假如以上控制措施不可能采取,应采用诸如非编织聚丙烯或棉制品填料这样的吸收材料来填充电池容器中的空隙或将这类吸收材料直接置于电池单体排气口上方。这种控制措施的效果是比较差的,因为电解液有可能被吸收材料收集而接触导电的部分,而吸收材料本身又可能是易燃的。金属电池盖的内表面也必须用可耐受电解液的漆加以涂覆。在任何航天器中,电池在发射前的放置方向必须为“顶朝上”(以重力方向为下),使重力及发射过载将多余电解液压向电池单体的极板及隔膜而远离电池单体的密封处或排气口。这种放置方向减小了飞行中电解液泄漏的发生概率。对于可排气电池单体,假如设计意图就是有多余电解液,应使隔膜扩展到高出电解液,从而形成起毛细管吸附作用的额外容积,这样,要大于1g的加速度才能使分离出来。飞行中的机动造成的过载多远小于1g。

3、方法3:采用含水电解液的飞行用电池不得贮存于封闭空间中。1)依据当氢气与空气或氧气混合时,在一个很宽的浓度范围内(例如空气中的氢气浓度3.8%~94%)都是可燃或易爆的。必须防止氢气在封闭且含有氧气的空间中的积累。采用含水电解液的电池,即使原来借助于氮气吹除已经将氧气排净,在充电中当充电即将完成时仍会有氧气产生。只要可燃/易爆的氢氧混合体存在,即使不能明显察觉有点火源,但仍应认为点火源总是存在的,因为所需的点火能量仅1或2微焦耳。2)特殊考虑避免氢气积累的传统方法是进行速率大到足以将所产生氢气的浓度稀释到3.8%可燃浓度以下的连续空气通风。例如,铅酸性电池或二氧化银一锌电池在过充电时的氢气产生速率见下式:Q=0.016 NI 式中Q立方英尺H2/小时((1大气压和77°F下)N电池中单体的数目I充电电流(安)这样,一个有20个单体的电池当以3安电流充电时产生氢气的速率为:Q=0.016x20x3=0.96立方英尺H2/小时欲将以上述速率产生的氢气借助于通风稀释到2%浓度,空气流量应为:0.96/0.02=48立方英尺H2/小时上面的Q可乘以一个系数来实现温度和气压修正,该系数为:K=1.415(T+460)/P式中:真实气压(mmHg)真实温度(77°F)实际情况下,在正常的轨道飞行器(Orbiter)电池应用中借助于通风来稀释氢气是不太可行的。因此,不管在轨道飞行器上是否还要进行充电,都必须采取以下控制措施中的一个或多个:a.禁止在轨道飞行器的生活区域进行电池充电。b.电池外壳不得密封,也不得安装减压阀(3~15磅/平方英寸(压差))。c.将电池外壳内部的空隙容积设计得最小或加入能耐受电解液且不可燃的填充料(例如封装材料)。d.在电池外壳内部杜绝任何可能成为点火源的因素(例如继电器触点间的电弧)。e.当电池安装到轨道飞行器上以后立即用干燥氮气(或任何其它惰性气体)进行彻底吹除。f.尽量不要使电池处于高温下。

4、方法4:不要使电池处于高温下。1)依据所谓高温,指平均温度高于120°F。有些电池可安全和成功地工作于比120°F高得多的温度下,但有些电池,特别是二氧化银-锌电池,有热失稳问题。二氧化银在高温下分解而产生氧,所产生的氧在负电极处使锌氧化,导致热量的产生和电池温度的升高,进而增大二氧化银分解的速率。这种机理与镍福电池恒压充电时可能发生的热失稳有着不同的机理。2)特殊考虑对电池及其周边环境进行热分析以确定负载和空载条件下电池的温度。这对与有关设备一同安装在轨道飞行器有效载荷舱的高能量、高功率电池来说是特别必要的。电池的负载不得在超过电池生产厂规定的最大负载。采取适当的短路保护措施(见方法1(短路)),若对电池所作的热分析表明温度将会很低从而需要加热,所采用的电加热器必须有冗余的温度变送器超温控制。若热分析发现任何可能导致超温的内部和外部热环境组合,必须考虑采取以下预防措施:a.采取热吸收、热分流或有源制冷操作。b.针对绝缘(insulation)或其它对流、辐射或传导热源进行热隔离的措施。c.采用热触发断路器在接近危险温度时切断负载电流。d.舱内布局热性能优化。

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